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¿Qué es el cuello de botella Von Neumann (VNB)?
La definición de cuello de botella Von Neumann se refiere a cuando el ancho de banda entre la unidad central de procesamiento (CPU) y la memoria de acceso aleatorio (RAM) es mucho menor que la velocidad a la que una CPU típica puede procesar datos internamente. Por lo tanto, la CPU permanece inactiva durante cierto tiempo mientras se accede a la memoria.
Por ejemplo, si usted es un proveedor de alojamiento de correo electrónico, añadir más CPU no le ayudará si sigue estando limitado por la rapidez con la que puede recuperar el correo electrónico del almacenamiento.
El VNB debe su nombre a John Von Neumann, matemático, científico y pionero de la informática del siglo XX que también participó en el Proyecto Manhattan.
Puntos clave
- El cuello de botella Von Neumann se produce cuando el ancho de banda entre la CPU y la RAM es muy inferior a la velocidad a la que una CPU típica puede procesar los datos.
- El cuello de botella debe su nombre a John Von Neumann, pionero de la arquitectura Von Neumann.
- El VNB limita la velocidad a la que pueden funcionar los ordenadores. A medida que ha aumentado la velocidad de los procesadores, se ha ampliado la diferencia entre la velocidad de la CPU y la de la memoria, exacerbando el cuello de botella.
- Un proveedor de alojamiento de correo electrónico podría utilizar una arquitectura Von Neumann tradicional para los servidores, con servidores de almacenamiento, servidores de aplicaciones y una red que permita la transferencia de datos. Sin embargo, la velocidad limitada de transferencia de datos crea un cuello de botella.
- Los informáticos han explorado formas de superar el cuello de botella Von Neumann, como la memoria caché, el multihilo, el procesamiento paralelo, el diseño del bus de memoria, los sistemas que no son Von Neumann, etc.
Historia del Cuello de Botella Von Neumann
Parte de la base del VNB es la arquitectura Von Neumann, en la que un ordenador almacena las instrucciones de programación junto con los datos reales, frente a una arquitectura Harvard, en la que estos dos tipos de memoria se almacenan por separado.
Este tipo de configuraciones se hicieron necesarias a medida que las máquinas más sencillas y preprogramadas dieron paso a ordenadores más modernos que requerían mejores formas de controlar la programación y los datos de información.
El cuello de botella Von Neumann se remonta a las décadas de 1940 y 1950, cuando John Von Neumann y su equipo fueron pioneros en conceptos informáticos. Antes de esto, la mayoría de los ordenadores estaban diseñados para tareas específicas y no podían reprogramarse fácilmente.
El concepto de programa almacenado lo alteró todo. Significaba que las instrucciones del ordenador se almacenaban en la misma memoria que los datos, lo que daba a los ordenadores una mayor flexibilidad. Von Neumann diseñó el “Ordenador automático discreto aariable electrónico (EDVAC)”, que influyó en los ordenadores modernos.
A medida que los ordenadores se hacían más rápidos, la separación entre la CPU y la memoria, que estaba unida por un bus de datos con un ancho de banda limitado, se convirtió en un problema.
La CPU podía procesar los datos más rápido de lo que podían transferirse desde la memoria, lo que dio lugar al cuello de botella de Von Neumann. Éste ha sido un reto importante en el diseño de ordenadores, que ha impulsado la investigación para mejorar la transferencia de datos y la eficiencia del sistema.
¿Quién es John Von Neumann?
John Von Neumann fue un matemático estadounidense de origen húngaro que, a mediados de su veintena, era uno de los matemáticos más destacados del mundo.
El trabajo de Von Neumann influyó en la teoría cuántica, la teoría de autómatas, la economía y la planificación de la defensa. Fue pionero en la teoría de juegos y uno de los inventores conceptuales del ordenador digital de programa almacenado (arquitectura Von Neumann).
Su trabajo con David Hilbert dio lugar a su libro «Los fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica», que concilió las contradictorias formulaciones de la mecánica cuántica de Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg.
También produjo una serie de artículos fundamentales sobre lógica, teoría de conjuntos, teoría de grupos, teoría ergódica y teoría de operadores.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Von Neumann desempeñó un papel fundamental en el Proyecto Manhattan, contribuyendo con su experiencia al desarrollo de armas nucleares. Su trabajo en la planificación de la defensa y su pensamiento estratégico influyeron significativamente en las tácticas y políticas militares durante y después de la guerra.
Importancia del cuello de botella de Von Neumann
El Cuello de Botella Von Neumann es importante porque limita la velocidad a la que pueden funcionar los ordenadores. A medida que ha aumentado la velocidad de los procesadores, se ha ampliado la diferencia entre la velocidad de la CPU y la de la memoria, exacerbando el cuello de botella.
Comprender el VNB es crucial por varias razones.
Un comprobador de cuellos de botella puede ayudarte a identificar dónde necesitas mejorar tu ordenador basándose en cómo interactúan entre sí los distintos componentes.
Ejemplo de cuello de botella Von Neumann
Un proveedor de alojamiento de correo electrónico tiene problemas con la velocidad de recuperación de datos.
El proveedor de alojamiento de correo electrónico emplea una arquitectura Von Neumann tradicional para sus servidores:
Servidores de almacenamiento: Donde el proveedor almacena los correos electrónicos y archivos adjuntos de los usuarios.
Servidores de aplicaciones: Gestionan las solicitudes de los usuarios, recuperan los datos de los servidores de almacenamiento y los envían a los clientes de correo electrónico de los usuarios.
Red: Es lo que permite la transferencia de datos entre los servidores de almacenamiento y los servidores de aplicaciones.
El impacto del VNB se observa de la siguiente manera:
- Latencia: Cuando un usuario se conecta y solicita su bandeja de entrada, el servidor de aplicaciones debe recuperar una lista de correos electrónicos y metadatos del servidor de almacenamiento. Además, cuando el usuario intenta abrir un correo electrónico, debe recuperarlo del servidor de almacenamiento. La VNB hace que el usuario experimente tiempos de carga lentos.
- Rendimiento: Con millones de usuarios, las solicitudes simultáneas para abrir un buzón o recuperar un correo electrónico concreto suponen una enorme carga para las capacidades de transferencia de datos del almacenamiento y la CPU, lo que se traduce en un menor rendimiento.
- Escalabilidad: A medida que aumenta el número de usuarios, también lo hacen las demandas de transferencia de datos, y la arquitectura se esfuerza por mantener el ritmo. Esto provoca un rendimiento más lento y la insatisfacción de los usuarios.
6 formas de superar el cuello de botella de Von Neumann
Los informáticos han intentado solucionar el cuello de botella de Von Neumann de varias maneras:
La diversidad de ideas en torno al cuello de botella de Von Neumann muestra lo integral que es esta idea para evaluar el potencial de la informática tal y como ha surgido en las últimas décadas.
Pros y contras del cuello de botella de Von Neumann
Pros 
- Simplicidad y universalidad
- Flexibilidad de programación
- Facilidad de aplicación
- Base de la investigación avanzada
Cons 
- Limitación de la velocidad de transferencia de datos
- Tiempo de inactividad de la CPU
- Problemas de escalabilidad
- Ineficiencia energética
El cuello de botella
Comprender el significado del cuello de botella Von Neumann es crucial, ya que supone un reto importante en la informática, que afecta al rendimiento, la escalabilidad y la eficiencia.
Ha dado lugar a nuevas arquitecturas y tecnologías, pero abordarlo sigue siendo fundamental para mejorar las capacidades informáticas.
